基于復(fù)合材料的五軸機(jī)床動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

甄守樂，閆新華

(諾伯特智能裝備(山東)有限公司，山東 聊城 252000)

0 引言

復(fù)合材料具有質(zhì)輕、高比強(qiáng)、高比模量、耐腐蝕、抗疲勞、可設(shè)計(jì)性強(qiáng)、易于大面積整體成型等優(yōu)異的綜合性能，已成為解決結(jié)構(gòu)輕量化，高剛度設(shè)計(jì)的重要途徑，在航空、航天、軌道交通、汽車等高端裝備制造領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。例如，波音B787復(fù)合材料使用量為50wt%、空客A350XWB復(fù)合材料使用量為52wt%，著名的全球鷹(Global Hawk)無人偵察機(jī)復(fù)合材料的用量更是高達(dá)65wt%，而國產(chǎn)C919客機(jī)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)用量約為20wt%，在使用比例上與國外還是有較大的差距，嚴(yán)重阻礙了我國高端裝備產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展[1-2]。

制約國內(nèi)復(fù)合材料技術(shù)發(fā)展的因素除了原材料、制造工藝技術(shù)相對落后外，針對復(fù)合材料切削加工設(shè)備技術(shù)發(fā)展的遲緩也是重要原因之一。以碳纖、玻纖為代表的復(fù)合材料屬于難加工材料，對加工技術(shù)與設(shè)備有著嚴(yán)苛的要求。國外對于復(fù)合材料切削加工裝備的研究起步早，在生產(chǎn)實(shí)踐中積累了豐富的數(shù)據(jù)和經(jīng)驗(yàn)，開發(fā)出了系列高端專用加工設(shè)備。但是因?qū)儆诤诵臋C(jī)密，公開發(fā)表文獻(xiàn)極少。針對國內(nèi)復(fù)合材料加工領(lǐng)域目前所面臨的困境，能適應(yīng)大尺度、柔性、高效復(fù)合材料加工的復(fù)合材料五軸加工機(jī)床的研發(fā)成為迫切需求。

公司通過自主創(chuàng)新，開發(fā)了多款擁有自主知識產(chǎn)權(quán)的復(fù)合材料五軸加工機(jī)床，在中低端市場對進(jìn)口設(shè)備具有明顯優(yōu)勢。但在高端應(yīng)用領(lǐng)域，與國外設(shè)備相比還存在著效率低、精度差、振動(dòng)大等突出問題。面對此領(lǐng)域國內(nèi)外可參考數(shù)據(jù)庫匱乏的困境，必須通過實(shí)驗(yàn)逐步建立屬于自己的機(jī)床基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫。

現(xiàn)代測試系統(tǒng)主要有智能儀器、自動(dòng)測試系統(tǒng)、虛擬儀器三大類。其中，基于PC的虛擬儀器因具有性能高、擴(kuò)展性強(qiáng)、開發(fā)時(shí)間短、出色的集成性等優(yōu)點(diǎn)成為當(dāng)前測試領(lǐng)域的技術(shù)熱點(diǎn)。LabVIEW軟件作為虛擬儀器領(lǐng)域，開發(fā)最早的軟件開發(fā)環(huán)境，其以圖形化、模塊化G語言編程環(huán)境而著稱，受到工業(yè)界、學(xué)術(shù)界和研究實(shí)驗(yàn)室廣泛推崇，已成為追求低成本、高效率、高靈活性軟化開發(fā)者的首選[3]。

基于以上因素，以LabVIEW為平臺設(shè)計(jì)開發(fā)了一套復(fù)合材料五軸加工機(jī)床動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，豐富機(jī)床數(shù)據(jù)庫，為復(fù)合材料五軸加工中心研發(fā)提供可靠的數(shù)據(jù)支持。

1 系統(tǒng)整體架構(gòu)

復(fù)合材料五軸加工機(jī)床動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，主要以機(jī)床的振動(dòng)、高速電主軸溫度以及兩者之間，及其與工程實(shí)際(精度、進(jìn)給速度、吃刀量、產(chǎn)品材料等)之間的參量關(guān)系為研究對象，實(shí)現(xiàn)對機(jī)床振動(dòng)、溫度數(shù)據(jù)的監(jiān)測、實(shí)時(shí)采集、閾值采集、極限報(bào)警反饋等功能。系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示，主要包括振動(dòng)監(jiān)測模塊、RTD溫度監(jiān)測模塊、數(shù)據(jù)采集調(diào)理模塊、操控模塊和反饋控制模塊。

圖1 系統(tǒng)架構(gòu)圖

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)采集卡、傳感器作為本虛擬儀器系統(tǒng)的重要組成構(gòu)件，其與工程需求的吻合程度及自身性能的優(yōu)劣直接決定著系統(tǒng)的最終性能。

2.1 機(jī)床振動(dòng)、溫度特點(diǎn)研究

復(fù)合材料五軸加工機(jī)床做為非金屬加工領(lǐng)域的專用機(jī)床，其精簡的焊接床身結(jié)構(gòu)、復(fù)合材料工件簡易的裝夾固定方式以及工件本身薄壁剛性差的物理特點(diǎn)，致使其加工中存在著比金屬切削機(jī)床更復(fù)雜的振動(dòng)問題，如表1所示[4-5]。

表1 復(fù)合材料五軸加工機(jī)床主要振動(dòng)

高速電主軸作為復(fù)合材料五軸機(jī)床的核心部件，在20 000～50 000 r/min甚至更高的轉(zhuǎn)速下，會(huì)形成一個(gè)復(fù)雜的溫度場，尤其是針對碳纖、玻纖等典型難加工材料，有著突出的發(fā)熱問題[6]。研究表明，主軸熱變形引起的加工誤差已到達(dá)零件總誤差的60～80%[7]。

本文針對主軸熱態(tài)特性、振動(dòng)以及機(jī)床溫振耦合對加工精度的影響，搭建數(shù)據(jù)采集平臺推動(dòng)機(jī)床迭代更新的研究。

2.2 采集卡、傳感器選擇

基于對工程實(shí)際需求、監(jiān)測點(diǎn)數(shù)量(輸入通道數(shù))、采樣頻率、量程、輸入阻抗、A/D轉(zhuǎn)換器分辨率以及經(jīng)濟(jì)指標(biāo)的綜合考量，以NI cDAQ9174機(jī)箱為基礎(chǔ)集成9234、9217采集卡、PCB壓電式加速度傳感器(三軸和單軸兩種型號)、PT100溫度傳感器(貼片式和探針式兩種型號)搭建了本系統(tǒng)的硬件部分。

NI cDAQ9174機(jī)箱支持熱插拔USB總線，可以直接與筆記本電腦連接，極大的方便了工程現(xiàn)場的即插即用。同時(shí)， 9234、9217采集卡可自動(dòng)檢測接入傳感器類型，分別為IEPE測量和RTD測量提供激勵(lì)電流，無需額外配件即可進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，簡化了硬件結(jié)構(gòu)環(huán)節(jié)。本監(jiān)測系統(tǒng)總重量約3 kg，方便攜帶，具有廣泛現(xiàn)場適用性，有利于在實(shí)驗(yàn)室、組裝車間、客戶加工現(xiàn)場等多場景獲取數(shù)據(jù)，豐富、完善數(shù)據(jù)庫。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1 程序算法

軟件算法是程序設(shè)計(jì)的核心問題，且不同的算法有著顯著的領(lǐng)域適用性特點(diǎn)，選擇一種與工程匹配的算法是軟件功能、效率、可靠性、易移植性的必要保障。本系統(tǒng)采用了模塊化的編程方式，算法流程如圖2所示。

圖2 程序算法流程圖

3.2 程序設(shè)計(jì)

LabVIEW程序具有數(shù)據(jù)流控制下自動(dòng)多線程并行執(zhí)行的顯著屬性。所以程序設(shè)計(jì)的核心是通過數(shù)據(jù)流驅(qū)動(dòng)以While循環(huán)、For循環(huán)、條件結(jié)構(gòu)、事件結(jié)構(gòu)等構(gòu)建完成的各種并行、嵌套、混合程序模塊按照既定的順序有次序執(zhí)行。

LabVIEW首先引入的TDMS(Technical Data Management Streaming)數(shù)據(jù)管理技術(shù)，讓快速存儲、查詢、采集數(shù)據(jù)管理成為可能。TDMS文件以二進(jìn)制方式存儲數(shù)據(jù)，存儲速度能達(dá)到600 MB/s，同時(shí)兼具二進(jìn)制文件(文件小、速度快)和關(guān)系型數(shù)據(jù)庫文件的優(yōu)點(diǎn)[11]。

本系統(tǒng)程序以順序結(jié)構(gòu)與模塊化子VI組合的方式搭建，這樣既可以利用順序結(jié)構(gòu)簡單易讀的優(yōu)點(diǎn)，又可以避免順序結(jié)構(gòu)在程序執(zhí)行過程中可控性差的缺點(diǎn)。主程序主要實(shí)現(xiàn)程序賬戶管理功能。而采集、存儲、報(bào)表生成等均在子VI下完成，且存儲、數(shù)據(jù)查詢程序?yàn)椴杉覸I下的二級子VI。

圖3為采集子VI架構(gòu)圖。因采集過程中，程序需隨時(shí)響應(yīng)操作人員進(jìn)行采樣參數(shù)配置、閾值設(shè)置等操作而發(fā)出的暫停采集命令。所以，程序執(zhí)行過程中至少有采集、待機(jī)、退出三種狀態(tài)。而狀態(tài)機(jī)是實(shí)現(xiàn)這一算法最直接有效的方式。本程序?qū)⒉杉⒋龣C(jī)、退出等每個(gè)任務(wù)都作為獨(dú)立分支嵌入在帶有移位寄存器的While循環(huán)所包圍的Case結(jié)構(gòu)中，程序可按操作指令實(shí)現(xiàn)在現(xiàn)態(tài)、次態(tài)下的高效遷移。

超閾值報(bào)警信號段是分析設(shè)備性能的關(guān)鍵數(shù)據(jù)，也是數(shù)據(jù)采集、查詢的重要目標(biāo)。針對報(bào)警信息，程序設(shè)計(jì)中引入了生產(chǎn)者/消費(fèi)者結(jié)構(gòu)，其雙While循環(huán)與隊(duì)列(Queue)組合的程序結(jié)構(gòu)模式，可以保證 “生產(chǎn)者”(數(shù)據(jù)采集)和“消費(fèi)者”(報(bào)警信息顯示、存儲)兩程序模塊的獨(dú)立高速并行[8]。在隊(duì)列引用中，為保證“生產(chǎn)”端元素入隊(duì)列的暢通無阻，將其屬性值設(shè)為“-1”(無限大)，避免了因隊(duì)列空間受限元素溢出而造成的報(bào)警信息丟失。

圖3 采集子VI架構(gòu)圖

4 在NF5-XXX機(jī)型中的應(yīng)用

系統(tǒng)搭建完成后，選定公司所研NF5-XXX型復(fù)合材料五軸加工機(jī)床為被測對象進(jìn)行系統(tǒng)測試，測點(diǎn)布置如表2所述。為提高監(jiān)測數(shù)據(jù)的全面性和可信度，所有PCB加速度傳感器均采用了強(qiáng)磁磁座和云母墊片組合式的安裝方式，在滿足“即測即裝”工程測試需求的同時(shí)，磁座下面的云母墊片還可以降低靜電等對測量結(jié)果的干擾。機(jī)床切削端的振動(dòng)情況即可代表機(jī)床的振動(dòng)烈度。因此，將三軸PCB壓電式加速度傳感器傳感器布置在切削端，可以無差別的測得切削端X、Y、Z三方向的振動(dòng)信號，能更好的支持后期進(jìn)行信號相關(guān)性頻譜分析；2個(gè)單軸PCB加速度傳感器則布置在振動(dòng)較小的床身和平臺。

電主軸高溫區(qū)域主要集中在前后軸承和轉(zhuǎn)子鐵芯部分[9-11]。為使熱電阻的測端與被測介質(zhì)間有充分的熱交換，在主軸前后軸承處各布置了2處貼片式RTD傳感器。另外，在主軸冷卻水回水端布置了1處探針插入式溫度檢測點(diǎn)。

圖4為本系統(tǒng)采集(監(jiān)測)到的動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)信號。讀圖可知，機(jī)床切削端X、Y、Z三方向振動(dòng)較大，工作臺尤其是床身抑振性良好。主軸前后端軸承位置溫度相對穩(wěn)定。系統(tǒng)所獲數(shù)據(jù)，蘊(yùn)含的復(fù)雜機(jī)床狀態(tài)信息，會(huì)在后面的信號分析處理中被逐一解析出，從而為機(jī)床迭代升級提供強(qiáng)大的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)支撐。

表2 測點(diǎn)布置表

圖4 NF5-XXX數(shù)據(jù)采集圖

5 結(jié)束語

系統(tǒng)的搭建完成和在復(fù)合材料五軸機(jī)床動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)采集上的成功應(yīng)用，開啟了復(fù)合材料五軸機(jī)床縱向探索的新途徑，為機(jī)床振動(dòng)抑制、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、主軸溫控等多方面的應(yīng)用研究提供了重要的數(shù)據(jù)依據(jù)。同時(shí)在系統(tǒng)搭建、數(shù)據(jù)采集方面也具有一定的借鑒意義和參考價(jià)值。